CN103199502B - 一种主动切断电路的断路器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主动切断电路的断路器，特别是应用于动力锂电池电源的断路器，包括壳体、感温机构、发热机构和桥式触点机构；感温机构包括感温体，发热机构包括发热部件，桥式触点机构包括桥式动簧片、至少一桥式静簧片、绝缘支架和第一弹性件；感温体作为绝缘支架一端的支撑部件，受控于发热部件；桥式动簧片安装于绝缘支架，其对应朝向绝缘支架另一端的一面与桥式静簧片之间形成触点接触，桥式动簧片与桥式静簧片及锂电池或锂电池组串联构成锂电池主回路；第一弹性件张顶于绝缘支架另一端与壳体内壁之间。本发明配合电池管理系统，可在锂电池出现过压、过充或过放时切断锂电池主回路，消除锂电池在异常情况下发生失火或爆炸等隐患，具有动作迅速、体积小、安装和使用方便等特点。

Description

一种主动切断电路的断路器

技术领域

本发明涉及一种用于切断电路的断路器，特别是涉及一种在锂电池过充或过放时切断动力锂电池以对锂电池进行保护的断路器。

背景技术

锂离子电池能量密度大，平均输出电压高，自放电小。好的锂电池，每月在2%以下（可恢复），没有记忆效应。工作温度范围宽为-20℃～60℃。锂电池具有循环性能优越、可快速充放电（充电效率高达100%）、输出功率大、重量轻、使用寿命长、不含有毒有害物质等优点，因而被称为绿色电池。近年来，随着锂电池的开发技术日益进步，用于各种用途的动力锂电池也随着发展起来。

近年来，以锂电池为动力的电动自行车、混合动力汽车、电动汽车、燃料电池汽车等受到了市场越来越多的关注。动力电池在交通领域的应用，对于减少温室气体的排放、降低大气污染以及新能源的应用有着重要的意义。一般，纯电动汽车的电压要求一般在100V以上，为了达到这个工作电压，必须把几十个乃至上百个单体电池串并在一起，且这些动力电池组的放电电流都在几十安培以上，有的甚至达到几百安培。

由于锂电池在异常受热、过充、过放电流、振动、挤压等条件下可能导致电池寿命缩短以致损坏，甚至会发生着火、爆炸等事件，因此安全性问题成为动力锂电池应用推广的主要制约因素。锂离子电池过度充放电会对正负极造成永久性损坏：过度放电导致负极碳片层结构出现塌陷，而塌陷会造成充电过程中锂离子无法插入；过度充电使过多的锂离子嵌入负极碳结构，而造成其中部分锂离子再也无法释放出来。

安全型、低成本、长寿命锂离子电池的安全标准、安全评价方法、电池制造过程的安全与可靠性控制以及通过正负极材料、电解质与隔膜优选改善电池安全与可靠性是实现确保大型动力锂离子电池安全可靠，实用化的关键。而电池管理系统（简称BMS）作为电池保护和管理的核心部件，不仅要保证锂电池安全可靠的使用，而且要充分发挥锂电池的能力和延长其使用寿命，作为锂电池和车辆管理系统以及驾驶者沟通的桥梁，电池管理系统对于电动汽车性能起着越来越关键的作用。

锂电池的外部因素，例如锂电池的充电，包括充电方式、充电电流、充电结束电压；锂电池的放电，包括锂电池的放电电流、放电深度、脉冲电流；锂电池温度的变化等等，这些外部因素都会影响锂电池的寿命。从电动汽车的使用过程中发现，单个锂电池的寿命远比电动汽车中锂电池组的使用寿命长，研究表明这是因为单体锂电池处在不均衡的状态中，充放电过程不均衡，而不断重复的充放电过程更加剧了单体锂电池的不均衡现象，引起单体电池寿命缩短，导致其所在的电池组的寿命缩短，从而使整个电池系统的寿命缩短。借助电池管理系统(BMS)，判断单体电池与电池组的状态，可以优化电池的外部参数，最终延长锂电池的寿命，起到保护锂电池的作用。

电池管理系统BMS将实时监测和判断动力电池组的工作状态，当发现异常时，BMS将发出电池组停止工作的指令，并由目前常用的执行元器件如接触器、可控硅等切断电池组电路，以保护电池组不受损坏。但这种切断电路方式并非离电式完全切断，此外，接触器体积较大，且在故障因素未排除的情况下容易出现自动回位，而可控硅的切断需要有触发电流的维持，这样很容易导致安全隐患重新出现。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种切断动力锂电池的断路器，其能够在锂电池出现充电电压过高或过度放电时，配合电池管理系统（BMS），以离电式立即切断动力锂电池的主回路，从而消除锂电池在异常情况下发生失火或爆炸等隐患。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种切断动力锂电池的断路器，包括一壳体以及安装在该壳体内的感温机构、发热机构和桥式触点机构；感温机构包括受热自动熔化的感温体，发热机构包括发热部件，桥式触点机构包括桥式动簧片、至少一桥式静簧片、绝缘支架和第一弹性件；感温体作为绝缘支架的一端的支撑部件，安装于发热部件；桥式动簧片安装于绝缘支架，桥式静簧片固定安装于壳体内，且桥式动簧片对应朝向绝缘支架另一端的一面与桥式静簧片之间形成触点接触，该桥式动簧片与桥式静簧片及锂电池或锂电池组串联构成锂电池主回路；第一弹性件设于绝缘支架的另一端与壳体的内壁之间。

作为一较佳实施例，所述桥式触点机构还包括遥信动簧片、两遥信引脚，遥信动簧片安装于对应所述感温机构与所述桥式动簧片之间的绝缘支架上，两遥信引脚固定安装于所述壳体内，且该两遥信引脚分别位于遥信动簧片的两端处，该遥信动簧片的两端对应背向所述桥式动簧片的一面分别设有第一凸包，两遥信引脚的各一端对应朝向遥信动簧片的第一凸包的一面分别设有用于与对应的第一凸包形成触点接触的第二凸包，两遥信引脚的各另一端分别引出所述壳体外，构成锂电池主回路的断开信号输出端；第二弹性件设于遥信动簧片与所述桥式动簧片之间，其一作用为：用于消除顶杆的尺寸误差带来的桥式动簧片与桥式静簧片的压力偏差；其二作用为：当发热部件对感温体进行加热，促使感温体由固态转为液态，过程的初始阶段，第二弹性件起到稳定桥式动簧片和桥式静簧片的接触状态，当深度液化时，第一弹性件的弹性大于第二弹性件的支撑力，迅速推动绝缘支架、桥式动簧片、第二弹性件、遥信动簧片整体运动，断开桥式动簧片与桥式静簧片的接触，构成主回路的断开。

作为一较佳实施例，所述发热部件为发热线圈，所述发热机构还包括第一引脚、第二引脚和发热机构静簧片，第二引脚抵靠于所述绝缘支架的一端；第一引脚和发热机构静簧片的各一端分别与发热线圈的两端相电气连接，第二引脚的一端对应背向所述绝缘支架的一面与发热机构静簧片的另一端形成触点接触，第一引脚和第二引脚的各另一端分别引出所述壳体外，构成外部线路接入端。

作为一较佳实施例，所述感温机构还包括设置成杯形的铜帽和顶杆，该铜帽呈倒置状态，并包裹于所述发热部件内，顶杆活动设置于铜帽的下开口处，所述感温体顶紧于铜帽的内底壁与顶杆的里端之间，顶杆的外端抵向所述绝缘支架的一端。

作为一较佳实施例，所述绝缘支架的另一端延伸有一杆体，该杆体伸出所述壳体外，构成状态指示杆。

作为一较佳实施例，所述桥式静簧片为两个，该两桥式静簧片分别位于所述桥式动簧片的两端处，且该两桥式静簧片的各一端分别与所述桥式动簧片的两端对应朝向所述绝缘支架另一端的一面形成触点接触，该两桥式静簧片的各另一端分别引出所述壳体外，构成成锂电池主回路的两电气连接端。

作为一较佳实施例，所述壳体包括具有上开口的绝缘外壳和盖板，盖板安装于绝缘外壳的上开口处，两者围成一用于安装所述感温机构、发热机构和桥式触点机构的空腔；所述绝缘支架与绝缘外壳之间设有供绝缘支架在壳体内自由滑动的轨道结构。

作为一较佳实施例，所述感温体为有机物感温体或低熔点合金型感温体。

作为一较佳实施例，所述第一弹性件为压簧。

作为一较佳实施例，所述第二弹性件为压簧。

本发明的一种切断动力锂电池的断路器，其采用感温体作为支撑零件，当电池管理系统（BMS）发出切断锂电池主电路的指令时，随即接通本发明的发热机构的电源，利用发热机构的发热线圈对感温体进行加热；当温度达到感温体的熔化温度时，感温体由固态转变为液态，使顶杆形成活动状态而对绝缘支架的一端失去限位作用，则绝缘支架在第一弹性件的回复力作用下带动桥式动簧片沿远离桥式静簧片的方向运动，使桥式动簧片与桥式静簧片断开连接，从而切断锂电池主回路，达到对锂电池的保护功能。

本发明设置遥信动簧片、第一遥信引脚、第二遥信引脚和第二弹性件后，其绝缘支架的运动，还带动遥信动簧片沿远离桥式动簧片的方向运动，最终使该遥信动簧片的两第一凸包分别与两遥信引脚的第二凸包相接触，从而对外输出一种电池主回路断开的信号。

本发明的发热机构设置第一引脚、第二引脚和发热机构静簧片后，其绝缘支架的运动，还带动第二引脚沿远离桥式动簧片的方向运动，最终使第二引脚与发热机构静簧片断开连接，从而切断发热线圈的发热电路，避免发热电路持续通电。

本发明使绝缘支架的另一端延伸一杆体后，其绝缘支架的运动，还带动该杆体向壳体内侧运动，以此作为可视的状态指示。

本发明的有益效果是：本发明由感温机构、发热机构和桥式触点机构构成的断路器，配合电池管理系统（BMS），可以在锂电池出现过压、过充或过放时立即切断锂电池主回路，从而消除锂电池在异常情况下发生失火或爆炸等隐患，相比现有技术，本发明具有动作迅速、体积小、安装和使用方便等特点。此外，本发明在切断锂电池主回路的同时，还可以输出有源遥信信号，并具有可视状态指示功能，以及动作的同时切断发热电路的功能，避免发热电路持续通电产生危险。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明；但本发明的一种切断动力锂电池的断路器不局限于实施例。

附图说明

图1是本发明的立体构造示意图（含局部剖视）；

图2是本发明的感温机构的立体构造示意图（含局部剖视）；

图3是本发明的发热机构的立体构造示意图；

图4是本发明的桥式触点机构的立体构造示意图（含局部剖视）；

图5是本发明在动作前的剖面示意图；

图6是本发明在动作后的剖面示意图。

具体实施方式

实施例，请参见图1-图5所示，为一种切断动力锂电池的断路器，包括壳体400、感温机构100、发热机构200和桥式触点机构300。壳体400包括具有上开口的绝缘外壳402和由金属材料制成的盖板401，盖板401安装于绝缘外壳402的上开口处，两者围成一用于安装感温机构100、发热机构200和桥式触点机构300的封闭空腔。

如图2所示，感温机构100包括受热自动熔化的感温体102，作为一种优选，该感温机构100还包括设置成杯形的铜帽101和顶杆103；这里，感温体102可以是有机物材料，也可以是低熔点合金材料，即，该感温体102可以是有机物感温体，也可以是低熔点合金型感温体。

如图3所示，发热机构200包括发热部件，作为一种优选，该发热部件为发热线圈202，该发热机构200还包括第一引脚201、第二引脚203和发热机构静簧片204。

如图4所示，桥式触点机构300包括一桥式动簧片305、两桥式静簧片307、313、一绝缘支架303和一第一弹性件314；作为一种优选，该桥式触点机构300还包括遥信动簧片302、两遥信引脚309、301和第二弹性件310。

上述绝缘支架303沿绝缘外壳402的竖向轴线方向活动设置于绝缘外壳402内，且绝缘支架303与绝缘外壳402之间设有供绝缘支架303在绝缘外壳402内上下自由滑动的轨道结构，具体该轨道结构包括竖向设置于绝缘支架303上的滑动条315和竖向设于绝缘外壳402的内侧壁并与滑动条315相滑动配合的滑动槽403（如图1所示）。

感温体102作为绝缘支架303的一端（即绝缘支架303的顶端）的支撑部件，安装于发热部件（即发热线圈202），具体是：上述盖板401设有安装法兰盘，该盖板401的中间设有一安装孔，发热线圈202固定安装于盖板401的安装孔处，该发热线圈202的骨架内圈设有螺纹，感温机构的铜帽101呈倒置状态，并锁附于发热线圈202的骨架内，感温机构的顶杆103活动设置于铜帽101的下开口处，感温体102顶紧于铜帽101的内底壁与顶杆103的里端之间，顶杆103的外端抵向绝缘支架303的一端。发热机构的第二引脚203抵靠于绝缘支架303的一端；第一引脚201和发热机构静簧片204的各一端分别与发热线圈202的两端相电气连接，第二引脚203的一端对应背向绝缘支架303的一面与发热机构静簧片204的另一端形成触点接触，第一引脚201和第二引脚203的各另一端分别从绝缘外壳402的右侧壁引出绝缘外壳402外，构成外部线路接入端。

桥式触点机构的桥式动簧片305和遥信动簧片302分别安装于绝缘支架303，具体是，遥信动簧片302与桥式动簧片305呈上下分布，且遥信动簧片302与桥式动簧片305分别活动穿过绝缘支架303，遥信动簧片302与桥式动簧片305之间采用第二弹性件310（该第二弹性件310为压簧）相互隔开，使遥信动簧片302与桥式动簧片305分别顶紧于绝缘支架303。桥式触点机构的两桥式静簧片307、313分别固定安装于绝缘外壳402内，该两桥式静簧片307、313分别位于桥式动簧片305的两端处，桥式动簧片305的两端对应朝向绝缘支架303另一端（即绝缘支架303的底端）的一面分别与两桥式静簧片307、313的各一端之间形成触点接触（即，桥式动簧片305的两端对应朝向绝缘支架另一端的一面分别设有一个动触点304、311，两桥式静簧片307、313的各一端分别对应设有静触点306、312，在初始状态下，两动触点304、311分别与相应的静触点306、312相接触），该桥式动簧片305与两桥式静簧片307、313及锂电池或锂电池组串联构成锂电池主回路，两桥式静簧片307、313的各另一端分别从绝缘外壳402的底壁引出绝缘外壳402外，构成成锂电池主回路的两电气连接端。第一弹性件314为压簧，其设于绝缘支架303的另一端与绝缘外壳402的内底壁之间。

上述桥式触点机构的两遥信引脚309、301固定安装于绝缘外壳402内，且该两遥信引脚309、301分别位于遥信动簧片302的两端处，该遥信动簧片302的两端对应背向桥式动簧片305的一面分别设有一个第一凸包，两遥信引脚309、301的各一端对应朝向遥信动簧片302的第一凸包的一面分别设有用于与对应的第一凸包形成触点接触的第二凸包，两遥信引脚309、301的各另一端分别从绝缘外壳402的底壁引出绝缘外壳402外，构成锂电池主回路的断开信号输出端。

作为一种优选，上述绝缘支架303的另一端还延伸有一杆体308，且该杆体308从绝缘外壳402的底壁伸出绝缘外壳402外，构成状态指示杆。

本发明的一种切断动力锂电池的断路器，其初始状态（即本发明动作之前的状态）如图5所示，此时，发热机构的第一引脚201和第二引脚203的各另一端均未通电，感温体102呈固态，桥式动簧片305两端的动触点304、311分别与两桥式静簧片307、313的静触点306、312相接触，使锂电池主回路处于导通状态；遥信动簧片302两端的第一凸包分别与两遥信引脚309、301的第二凸包相互分离；第一弹性件314和第二弹性件310分别处于压缩状态。

如图6所示，当锂电池充电电压过高、过充或过放时，电池管理系统BMS发出切断锂电池主回路的指令，随即接通发热线圈202的电源（即，分别接通发热机构的第一引脚201和第二引脚203各另一端的电源），使发热线圈202开始发热，同时给感温体102加热，当加热温度达到感温体102的熔点时，感温体102由固态变为液态，使顶杆103失去支撑功能，第一弹性件314和第二弹性件310因此释放伸长；在第一弹性件314的作用下，绝缘支架303带动桥式动簧片305朝发热机构200的方向运动，直至使桥式动簧片305的两动触点304、311分别与两桥式静簧片307、313的静触点306、312断开，从而切断锂电池主回路，达到对锂电池的保护功能。绝缘支架303的运动还带动遥信动簧片302朝发热机构200的方向运动，使遥信动簧片302的两第一凸包分别与两遥信引脚309、301的第二凸包相接触而形成接通状态，以对外输出一种锂电池主回路断开的信号。绝缘支架303的运动还顶起发热机构的第二引脚203，使第二引脚203与发热机构静簧片204断开，从而切断发热线圈202的加热回路，避免发热电路持续通电。绝缘支架303的运动，还使其杆体308沿绝缘外壳402的内腔方向运动，作为可视的状态指示。

本发明的一种切断动力锂电池的断路器，当外界不利因素排除，且锂电池或锂电池组的本体质量未受破坏时，可以通过更换其内置的感温机构，使本发明实现重复使用的功能。

上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种切断动力锂电池的断路器，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种主动切断电路的断路器，其特征在于：包括一壳体以及安装在该壳体内的感温机构、发热机构和桥式触点机构；感温机构包括受热自动熔化的感温体，发热机构包括发热部件，桥式触点机构包括桥式动簧片、至少一对桥式静簧片、绝缘支架和第一弹性件；感温体作为绝缘支架一端的支撑部件，并且受控于发热部件；桥式动簧片安装于绝缘支架上，桥式静簧片安装于壳体内，该桥式动簧片与桥式静簧片上的两对触点接触构成主回路；第一弹性件张顶于绝缘支架的另一端与壳体的内壁之间；所述发热部件受控对感温体进行加热；当温度达到感温体的熔化温度时，绝缘支架的一端失去支撑，桥式动簧片在第一弹性件的弹性作用下离开桥式静簧片。

2.根据权利要求1所述的主动切断电路的断路器，其特征在于：第二弹性件内置于绝缘支架内，抵靠于桥式动簧片与所述的支撑部件之间。

3.根据权利要求1所述的主动切断电路的断路器，其特征在于：所述桥式触点机构还包括遥信动簧片、两遥信引脚，遥信动簧片安装于对应所述感温机构与所述桥式动簧片之间的绝缘支架上，两遥信引脚固定安装于所述壳体内，且该两遥信引脚分别位于遥信动簧片的两端对应处，两遥信引脚的各另一端分别引出所述壳体外，构成主回路的断开信号输出端。

4.根据权利要求1或2所述的主动切断电路的断路器，其特征在于：所述发热部件为发热线圈，所述发热机构还包括第一引脚、第二引脚和发热机构静簧片，第二引脚抵靠于所述绝缘支架的一端；第一引脚和发热机构静簧片的各一端分别与发热线圈的两端相电气连接，第二引脚的一端对应背向所述绝缘支架的一面与发热机构静簧片的另一端形成触点接触，第一引脚和第二引脚的各另一端分别引出所述壳体外，构成外部线路接入端。

5.根据权利要求4所述的主动切断电路的断路器，其特征在于：所述的绝缘支架的运动可以顶开第二引脚，断开发热系统，停止加热。

6.根据权利要求1或2所述的主动切断电路的断路器，其特征在于：所述感温机构还包括设置成杯形的铜帽和顶杆，该铜帽呈倒置状态，并包裹于所述发热部件内，顶杆活动设置于铜帽的下开口处，所述感温体顶紧于铜帽的内底壁与顶杆的里端之间，顶杆的外端抵向所述绝缘支架的一端。

7.根据权利要求1所述的主动切断电路的断路器，其特征在于：所述绝缘支架的另一端延伸有一杆体，该杆体伸出所述壳体外，构成状态指示杆。

8.根据权利要求1所述的主动切断电路的断路器，其特征在于：所述壳体包括具有上开口的绝缘外壳和盖板，盖板安装于绝缘外壳的上开口处，两者围成一用于安装所述感温机构、发热机构和桥式触点机构的空腔；所述绝缘支架与绝缘外壳之间设有供绝缘支架在壳体内自由滑动的轨道结构。

9.根据权利要求1所述的主动切断电路的断路器，其特征在于：所述感温体为有机物感温体或低熔点合金型感温体。

10.根据权利要求2所述的主动切断电路的断路器，其特征在于：所述第一弹性件、第二弹性件均为压簧。